Les ones gravitacionals són ones en el teixit de l’espai-temps que viatgen a la velocitat de la llum i l’existència de les quals va ser predita per Einstein en 1916 dins de la seua Teoria General de la Relativitat. Aquestes ones s’originen en els esdeveniments més violents de l’Univers, i porten la informació sobre el seu origen.

Des del 2015, l’ésser humà pot observar i interpretar ones gravitacionals gràcies als dos detectors Advanced LIGO (EUA) i al detector Virgo (Itàlia). A pesar de tots els descobriments acumulats en només 6 anys, el potencial real de les ones gravitacionals va més enllà. En el futur, podria permetre l’observació de nous tipus d’objectes celestes i donar pistes sobre problemes fonamentals de la ciència, com, per exemple, la naturalesa de la matèria fosca, cosa que podria haver passat ja.

Al setembre de 2020, les col·laboracions científiques LIGO i Virgo (LVC) van anunciar l'observació de l'ona gravitatòria GW190521, compatible amb la fusió de dos forats negres que va donar lloc a un forat negre final de 142 masses solars. Aquest últim és el primer d'una nova família de forats negres: els forats negres de massa intermèdia. Aquest descobriment té una gran importància, ja que aquests forats negres eren considerats una espècie de baula perduda entre dues famílies ja conegudes: els forats negres de massa estel·lar que es formen pel col·lapse gravitatori d'una estrella i els forats negres supermassius que s'amaguen en els centres de les galàxies, incloent la Via Làctia.

Malgrat la seua importància, GW190521 suposa també un enorme repte. Si la nostra comprensió teòrica de com viuen i moren les estrelles és correcta, el major dels dos forats negres fusionats (85 masses solars), no pot ser el resultat del col·lapse d'una estrella, la qual cosa obri un ventall de dubtes i possibilitats sobre el seu origen.

En un article publicat hui en Physical Review Letters, un equip científic en què participa la Universitat de València ha proposat un nou origen per al senyal GW190521: la fusió de dos objectes compactes exòtics coneguts com a estrelles de bosons. Aquestes estrelles són objectes hipotètics que constitueixen un dels principals candidats per a formar el que coneixem com a matèria fosca, que representa aproximadament el 27% de tot el contingut de l'univers, però de la qual no es coneix encara la seua composició. Assumint aquest tipus de col·lisió, l'equip va ser capaç de calcular la massa del constituent fonamental d'aquestes estrelles, una nova partícula coneguda com a bosó ultralleuger, bilions de vegades més lleugera que un electró.

Aquest equip científic està liderat per Juan Calderón Bustillo, de l'Institut Gallec de Física d'Altes Energies (IGFAE), centre mixt de la Universitat de Santiago de Compostel·la i la Xunta de Galícia; i Nicolás Sanchis-Gual, investigador postdoctoral en la Universitat de Aveiro i en l'Institut Superior Tècnic (Universtat de Lisboa), juntament amb personal col·laborador de la Universitat de València, Monash University (Austràlia) i la Chinese University de Hong Kong.

L'equip va comparar el senyal GW190521 amb simulacions per ordinador de fusions d'estrelles de bosons i van trobar que aquestes expliquen les dades lleugerament millor que l'anàlisi realitzada per LIGO i Virgo. El resultat implica que la font d'aquest senyal tindria propietats diferents a les predites originalment. “Primer de tot, ja no estaríem parlant de forats negres, la qual cosa elimina el problema de trobar-se amb un forat negre prohibit”, apunta Calderón Bustillo. “Segon, atés que les fusions d'estrelles de bosons són molt més febles, arribem a la conclusió que aquesta fusió es va produir a una distància molt més pròxima que l'estimada per LIGO i Virgo, la qual cosa ens dóna una massa molt major, d'unes 250 masses solars, per al forat negre que es forma al final. Per tant, el fet d'haver observat un forat negre de massa intermèdia continua sent cert, si bé aquest és ara molt més pesat.”

“Les estrelles de bosons són quasi tan compactes com els forats negres, però a diferència d'aquests, no tenen la famosa superfície de “no-retorn” o “horitzó d'esdeveniments”, explica Sanchis-Gual. “Quan es fusionen, formen una estrella hipermassiva que es torna inestable i col·lapsa a un forat negre. Aquest procés genera un senyal idèntic al que LIGO i Virgo van observar. Al contrari que les estrelles normals, que estan fetes del que solem dir matèria, les estrelles de bosons es compondrien de bosons ultralleugers, que estan entre els candidats teòrics més plausibles per a compondre el que coneixem com a matèria fosca”.

Igual que la fusió de forats negres, la fusió d'estrelles de bosons no genera ones electromagnètiques, és a dir no emet llum, i per tant només poden estudiar-se a partir de la seua emissió en ones gravitatòries. “Aquest estudi demostra que l'astronomia d'ones gravitatòries obri la porta a detectar objectes astrofísics nous que no es podrien observar mitjançant l'astronomia clàssica basada en ones electromagnètiques”, apunta Alejandro Torres-Forné, també professor de la Universitat de València.

Per a la seua sorpresa, l'equip va trobar que encara que les seues anàlisis estan dissenyades per a “preferir” una col·lisió de forats negres, aquests indiquen que la fusió d'estrelles de bosons és més probable, si bé de manera no conclusiva. “La nostra anàlisi estadística mostra que els dos escenaris tenen probabilitats similars, si bé el de les estrelles de bosons és lleugerament més favorable”, indica José A. Font, professor de la Universitat de València. “Això és molt prometedor, ja que els nostres models actuals per a aquestes fusions són encara molt limitats i tenen moltíssim marge de millora. L'ús de models més complets podria proporcionar una major evidència a favor de les estrelles de bosons i també ens permetria estudiar altres senyals d'ones gravitatòries sota aquesta hipòtesi”.

Aquest resultat no sols podria significar la primera observació d'estrelles de bosons, sinó també la dels seus components fonamentals, un nou tipus de partícula conegut com a bosó ultralleuger. Aquests bosons han estat proposats per molts equips científics com els components fonamentals de la matèria fosca, que forma el 27% de l'Univers. Carlos Herdeiro, de la Universitat de Aveiro afegeix que “un dels resultats més fascinants és que podem mesurar la massa d'una hipotètica partícula “fosca” i que descartem amb tota probabilitat que aquesta massa siga nul·la, com en el cas del fotó que compon la llum. Si aquest resultat és confirmat per futures anàlisis d'altres ones gravitatòries, el nostre resultat suposaria la primera evidència observacional del, buscat per dècades, component fonamental de la matèria fosca”.

Referències:

-      Juan Calderón Bustillo, Nicolas Sanchis-Gual, Alejandro Torres-Forné, José A. Font, Avi Vajpeyi et al. “GW190521 as a merger of Proca stars: a potential new vector boson of 8.7 × 10−13 eV”. Phys. Rev. Lett 126, 081101

       https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.081101

-       Arxiv: https://arxiv.org/abs/2009.05376